王文達(dá),張玉石

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院泌尿外科,北京 100730)

三維(3D)可視化技術(shù)在醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。針對(duì)3D體數(shù)據(jù),通過(guò)3D重建繪制的預(yù)處理技術(shù)和繪制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)圖像的3D可視化[2];而醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)的可視化,即將醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)在3D空間上生成立體的3D圖像,通過(guò)人機(jī)交互協(xié)助醫(yī)療診斷及治療[3],最早可追溯于20世紀(jì)70年代[4],經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,已逐漸開(kāi)發(fā)出較為成熟的技術(shù)[2]。目前,臨床上常用的3D可視化技術(shù)包括3D打印、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)眼鏡和3D顯示器。3D打印可應(yīng)用于解剖模型、手術(shù)引導(dǎo)、假體、可植入或非可植入的醫(yī)療裝置,特別是針對(duì)患者個(gè)體化的應(yīng)用[5-7]。VR技術(shù)是由電腦生成的仿真3D環(huán)境,人們可以通過(guò)特定的電子設(shè)備來(lái)進(jìn)行互動(dòng);VR眼鏡即是一種可以佩戴的互動(dòng)設(shè)備,通過(guò)在VR眼鏡的2個(gè)屏幕顯示相對(duì)輕微位移的畫(huà)面來(lái)實(shí)現(xiàn)立體3D效果。在臨床中,其可用于手術(shù)的3D規(guī)劃、教學(xué)和訓(xùn)練,非藥物的疼痛管理,以及患者的居家康復(fù)治療等[8-12]。3D顯示器,則是利用立體視覺(jué)向雙眼傳達(dá)輕微差異的圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)深度感知,可通過(guò)單一的裸眼立體3D顯示器,或者通過(guò)特定可佩戴眼鏡輔助的立體顯示器來(lái)實(shí)現(xiàn);3D顯示器的優(yōu)勢(shì)在于更具挑戰(zhàn)性的復(fù)雜病例,這對(duì)于臨床經(jīng)驗(yàn)更豐富的醫(yī)生或許也會(huì)有顯著幫助[13]。目前,關(guān)于3D打印[14-17]及3D顯示器[18-20]在泌尿外科手術(shù)及學(xué)習(xí)中的應(yīng)用相關(guān)報(bào)道較多,而頭戴式VR眼鏡相關(guān)的報(bào)道則較少見(jiàn)?，F(xiàn)將頭戴式VR眼鏡在泌尿外科手術(shù)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用報(bào)道如下。

1 VR眼鏡在泌尿外科手術(shù)室外學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

MUFF等[13]針對(duì)不同3D可視化技術(shù)在疾病理解、細(xì)節(jié)精確度、解剖顯示質(zhì)量和技術(shù)可操作性等方面進(jìn)行比較,并評(píng)估應(yīng)用3D可視化技術(shù)后是否會(huì)對(duì)治療效果帶來(lái)改變。該研究顯示,各種3D可視化技術(shù)都被不同科室的醫(yī)生所接受,并在上述測(cè)評(píng)項(xiàng)目中獲得良好評(píng)價(jià)。其中,疾病理解和解剖顯示質(zhì)量方面,VR眼鏡評(píng)價(jià)最高;44%的受試醫(yī)生反饋應(yīng)用VR眼鏡后可能會(huì)改變療效,高于3D打印和3D顯示器,特別是專業(yè)經(jīng)驗(yàn)較少(工作低于10年)的醫(yī)生獲益會(huì)更大?？梢?jiàn),VR眼鏡作為3D可視化技術(shù)的一種,在部分臨床學(xué)習(xí)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

有研究顯示,將頭戴式VR眼鏡與腔鏡手術(shù)模擬器相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)高度沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),有可能進(jìn)一步彌補(bǔ)模擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)手術(shù)室之間的差距。HUBER等[21]報(bào)道了利用頭戴式VR設(shè)備營(yíng)造沉浸式環(huán)境,在傳統(tǒng)腹腔鏡模擬器的基礎(chǔ)上,利用VR眼鏡制造出虛擬手術(shù)室環(huán)境,模擬術(shù)者進(jìn)行一臺(tái)真實(shí)的腔鏡手術(shù),并配有患者、護(hù)士、麻醉醫(yī)師等人員,同時(shí)可模擬術(shù)中的機(jī)器聲音、人物行動(dòng)及對(duì)話,測(cè)試人員反饋該設(shè)備高度還原了手術(shù)室環(huán)境。FREDERIKSEN等[22]將未接受腔鏡手術(shù)培訓(xùn)的第一年住院醫(yī)師分為2組,分別利用單純傳統(tǒng)腹腔鏡模擬器或傳統(tǒng)腹腔鏡模擬器聯(lián)合頭戴式VR眼鏡進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練。其中佩戴VR眼鏡同樣營(yíng)造出HUBER等[21]報(bào)道的虛擬手術(shù)室環(huán)境。對(duì)比2組受試者認(rèn)知負(fù)荷的變化,聯(lián)合VR眼鏡組的增長(zhǎng)幅度更高(66%vs.58%,P<0.001),且存在“刺激源”(輕度刺激源包括麻醉醫(yī)師的對(duì)話、巡回護(hù)士接聽(tīng)電話等;重度刺激源包括出血、手術(shù)室各人員預(yù)備轉(zhuǎn)開(kāi)放手術(shù)等)時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷增長(zhǎng)也更高;評(píng)估VR眼鏡組受試者的表現(xiàn)更差,包括完成手術(shù)時(shí)間更長(zhǎng)、組織損傷更多、術(shù)中輸血更多、手部動(dòng)作更低效等;通過(guò)重復(fù)訓(xùn)練后上述表現(xiàn)可改進(jìn)。分析其原因,VR眼鏡所營(yíng)造的沉浸式環(huán)境更接近于手術(shù)室環(huán)境,可提供更多的類似真實(shí)場(chǎng)景的交互因素,從而增加受試者所接受的外源性認(rèn)知負(fù)荷,進(jìn)而也會(huì)影響到受試者的反應(yīng)和表現(xiàn),證明VR眼鏡可提供更為真實(shí)的手術(shù)訓(xùn)練環(huán)境。VERTEMATI等[23]針對(duì)不同年資的醫(yī)生進(jìn)行頭戴式VR設(shè)備的測(cè)試,通過(guò)該設(shè)備提供不同于2D圖像的3D影像,從使用方便性、解剖理解、解剖變異闡釋、手術(shù)過(guò)程闡釋、術(shù)前計(jì)劃、佩戴不適感(胃腸及神經(jīng)相關(guān)不適)等方面進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果顯示,各項(xiàng)指標(biāo)均得到正向的評(píng)價(jià),提示頭戴式VR設(shè)備可作為一種潛在的用于教學(xué)和術(shù)前規(guī)劃的設(shè)備。國(guó)內(nèi)也有部分VR眼鏡在臨床學(xué)習(xí)中的應(yīng)用報(bào)道。徐然等[24]曾將目標(biāo)教學(xué)法聯(lián)合VR技術(shù)應(yīng)用于外科規(guī)培,其中VR教學(xué)應(yīng)用VR一體機(jī)(索尼公司)來(lái)觀摩手術(shù)過(guò)程,在真實(shí)手術(shù)時(shí)作為體驗(yàn)者通過(guò)VR眼鏡從立體視角觀摩手術(shù)。觀察組以目標(biāo)教學(xué)聯(lián)合VR教學(xué),對(duì)照組則采用傳統(tǒng)規(guī)培帶教模式。結(jié)果顯示,觀察組理論知識(shí)、技能考核及教育環(huán)境測(cè)試得分均優(yōu)于對(duì)照組,且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。朱高紅等[25]開(kāi)設(shè)“VR模式下醫(yī)學(xué)影像立體解剖學(xué)”課程,課程中應(yīng)用VR眼鏡(mobile VR、VRG-pro)觀看3D立體圖像,與傳統(tǒng)2D圖像相比較,VR眼鏡所示3D圖像更清晰、更易于辨別解剖結(jié)構(gòu)。

2 VR眼鏡在泌尿外科手術(shù)室學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

目前,關(guān)于VR眼鏡在泌尿外科手術(shù)中的應(yīng)用較少,且主要是在臨床手術(shù)中的應(yīng)用介紹,尚未進(jìn)行過(guò)手術(shù)學(xué)習(xí)相關(guān)的評(píng)價(jià)。關(guān)于泌尿外科手術(shù)應(yīng)用頭戴式3D可視化VR眼鏡的報(bào)道主要集中于日本學(xué)者所報(bào)道的內(nèi)窺鏡輔助單切口手術(shù)當(dāng)中。2012年,KIHARA等[26]首次報(bào)道了應(yīng)用VR眼鏡(HMZ-T1,索尼公司)配合高清內(nèi)窺鏡進(jìn)行無(wú)氣腹單切口腎臟根治性切除術(shù)。在手術(shù)中,術(shù)者及助手均佩戴VR眼鏡,通過(guò)單切口置入內(nèi)窺鏡后,無(wú)論是暴露腎動(dòng)脈、腎靜脈,或是游離輸尿管等過(guò)程,所有參與者均可觀看清晰的3D圖像,且整個(gè)過(guò)程中佩戴者并未有任何不適。頭戴式VR眼鏡能夠時(shí)刻保證手術(shù)人員有類似開(kāi)放手術(shù)的清晰視野,且視線方向、頭部旋轉(zhuǎn)及傾斜角度可隨意調(diào)節(jié),減少疲勞感,并能減少外界的干擾。2014年,FUJII等[27]進(jìn)行了VR眼鏡用于雙鏡聯(lián)合膀胱部分切除術(shù)的報(bào)道。術(shù)中采用單切口腹腔內(nèi)窺鏡和膀胱鏡進(jìn)行聯(lián)合,且VR眼鏡配合了“畫(huà)中畫(huà)”技術(shù),即可同時(shí)顯示腹腔內(nèi)窺鏡和膀胱鏡所顯示的圖像。在術(shù)中,膀胱鏡操作者以膀胱鏡作為主畫(huà)面,而其他術(shù)者以腹腔內(nèi)窺鏡作為主畫(huà)面。通過(guò)雙鏡聯(lián)合確定腫瘤范圍,協(xié)同切除膀胱腫瘤,并可進(jìn)行后續(xù)的淋巴結(jié)清掃。KIHARA等[28]報(bào)道了應(yīng)用VR眼鏡進(jìn)行單切口無(wú)阻斷腎部分切除術(shù)。類似的,術(shù)者應(yīng)用VR眼鏡結(jié)合內(nèi)窺鏡進(jìn)行手術(shù)。在該報(bào)道中所應(yīng)用的是整合圖像頭戴式設(shè)備,可將內(nèi)窺鏡實(shí)時(shí)3D圖像、影像學(xué)3D重建圖像及術(shù)中超聲圖像同時(shí)整合在VR眼鏡中進(jìn)行顯示。術(shù)者可通過(guò)手指追蹤系統(tǒng)對(duì)術(shù)前重建的3D圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn),這樣在手術(shù)中可通過(guò)3D重建影像辨別腫瘤的位置、毗鄰結(jié)構(gòu),指導(dǎo)腫瘤切除。此外,ISHIOKA等[29]還報(bào)道了應(yīng)用頭戴式高清眼鏡協(xié)助輸尿管鏡進(jìn)行上尿路腫瘤的切除或活檢。該篇報(bào)道中雖未應(yīng)用3D顯示,但同樣使用類似的頭戴式設(shè)備。該系統(tǒng)將輸尿管軟鏡與高清頭戴式顯示器相連,并可連接不同的輸入源,包括輸尿管鏡圖像、熒光鏡圖像、窄頻影像,也可輸入影像學(xué)資料和監(jiān)護(hù)儀屏幕(監(jiān)測(cè)患者術(shù)中生命體征)等信息。將不同信號(hào)源整合于同一顯示屏幕,術(shù)者及助手可分別調(diào)節(jié)各自顯示器的主要顯示內(nèi)容,根據(jù)術(shù)中需求各自獲得所需的圖像信息。作者于2019年在日本東京醫(yī)科齒科大學(xué)附屬醫(yī)院泌尿外科交流時(shí),也曾體會(huì)3D眼鏡配合單切口內(nèi)窺鏡腎部分切除及腎上腺腫瘤切除等手術(shù)。除了可獲得清晰的3D圖像,以及改善手術(shù)參與者長(zhǎng)時(shí)間保持同一視線方向所帶來(lái)的疲勞之外,還可使術(shù)者、助手及臺(tái)下觀摩者均能清楚觀看手術(shù)視野及操作過(guò)程;特別是臺(tái)下觀摩者,可獲得與臺(tái)上等同的手術(shù)圖像,提高手術(shù)教學(xué)的效果。上述優(yōu)勢(shì)不僅可體現(xiàn)于前述內(nèi)窺鏡輔助的單切口手術(shù),甚至在腹腔鏡手術(shù)中也可連接VR眼鏡以供手術(shù)參與者和臺(tái)下觀摩者佩戴。盡管目前傳統(tǒng)腹腔鏡、機(jī)器人輔助腹腔鏡等微創(chuàng)手術(shù)逐漸成為泌尿外科手術(shù)的主流方式,但仍有許多情況需行開(kāi)放手術(shù)。由于開(kāi)放手術(shù)往往空間狹小,有時(shí)僅有術(shù)者才能看到手術(shù)視野,如在開(kāi)放手術(shù)過(guò)程中能配合高清攝像系統(tǒng)及VR眼鏡,則助手及臺(tái)下觀摩者可進(jìn)一步提高手術(shù)學(xué)習(xí)的參與度和學(xué)習(xí)效率。另外,VR眼鏡的整合圖像系統(tǒng)可將手術(shù)視野與影像學(xué)圖像等同時(shí)顯示在屏幕中,將真實(shí)手術(shù)與術(shù)前規(guī)劃圖像相結(jié)合(圖1),為學(xué)習(xí)者提供更為全面的學(xué)習(xí)條件。因此,作者認(rèn)為VR眼鏡在泌尿外科手術(shù)的教學(xué)中有著很大潛力。

圖1 可佩戴式VR眼鏡將整合圖像展示給不同人員的示意圖

3 小 結(jié)

頭戴式3D可視化VR眼鏡或可更多地應(yīng)用于泌尿外科手術(shù)學(xué)習(xí)。其在手術(shù)室前的教學(xué)中可配合傳統(tǒng)模擬器模擬手術(shù)室環(huán)境輔助教學(xué),在手術(shù)室實(shí)時(shí)手術(shù)教學(xué)中,可整合多源圖像,且有利于手術(shù)中的觀摩,以更直觀及便捷的教學(xué)方法,為醫(yī)學(xué)生、低年資醫(yī)生提供更優(yōu)的臨床手術(shù)學(xué)習(xí)環(huán)境及條件。